碱性高炉喷吹煤基直接还原剂及其生产方法

摘要

碱性高炉喷吹煤基直接还原剂及其生产方法，该还原剂由煤和含CaO、MgO碱性矿物组成，其组分及组分含量为：固定碳60－90％，发热量≥6600千卡/kg，挥发分2－35％，全硫≤0.5％和主要由CaO、MgO、SiO2、Al2O3矿物组成的灰分总量≤12％，依据碱性高炉内平衡碱度的需要，加入含CaO、MgO碱性矿物的至少一种，使灰分碱度达到CaO+MgO/SiO2+Al2O3＞1，经破碎成5mm－160目，按灰分碱度大于1和灰分不高于12％的技术指示，计算煤与碱性矿物的比例，按比例将精煤和碱性矿物材料混合成还原剂。本发明能够提高工吹煤粉的碱性替代高炉内部分碱性材料和热值材料，原料广泛成本低，可有效的提高高炉生产率。

说明书

技术领域

本发明涉及高炉炼铁时喷吹的一种还原剂，特别是涉及碱性高炉喷吹煤基直接还原剂及其生产方法。

背景技术

现有的炼铁高炉喷吹的使用技术，目前还没有在炼铁高炉生产工艺中使用碱性高炉喷吹煤基直接还原剂的技术来大量替代焦炭或完全替代焦炭来直接还原铁和此种原材料的生产工艺；炼铁高炉的高炉喷吹材料还没有按照炼铁高炉冶炼技术对所使用的原材料性能的要求来对高炉喷吹粉进行系统性的、技术性加工生产，只能做到从原煤到洗精煤的阶段，基本属于原始的时代；现有的炼铁高炉的碱度平衡的调节只是利用炉内的炼铁原料及其辅料来进行碱度的调节平衡，还没有使用炼铁高炉外的原材料的碱度来进行炼铁高炉内外的碱度平衡调节。

发明内容

本发明要解决的技术问题，是提供一种碱性高炉喷吹煤基直接还原剂应用于传统的炼铁高炉大部分替代或全部替代焦炭和替代高炉内的其他部分碱性材料，而又不改变现有炼铁高炉生产设备工艺的条件下，用于炼铁高炉内外的调节碱度平衡，不断地提高高炉喷吹材料的碱性而又不降低最低热值标准，且高炉喷吹材料的碱度能够替代高炉内部分碱度材料和热值材料，让它具有高炉加热升温、直接还原铁、造渣的碱性高炉喷吹煤基直接还原剂及其生产方法。

在研究开发本发明的煤基直接还原剂时参考了大量国内外高炉炼铁喷吹煤粉的技术资料，提出了碱性高炉喷吹煤基直接还原剂的技术依据：

国内的某钢铁公司曾经对阳泉高炉喷吹煤粉和宁夏的高炉喷吹煤粉进行高炉喷吹试验时发现了如下问题：

用宁夏的高炉喷吹煤粉时，其高炉利用系数相对地提高；

而用阳泉的高炉喷吹煤粉时，其高炉的利用系数相对地降低；

探求这一现象的原因，我们首先对其灰分构成进行了分析比较，通过对煤炭的灰分的成分的研究我们会发现，其灰分的主要组成部分也是由SiO₂、Al₂O₃、CaO、MgO等为主要的组成部分；

还有，对鞍山地区的铁精矿原料分析研究如下：

其品位达到66％以上，而SiO2的含量达到8％，CaO、MgO的含量很低；为了提高其碱度，必须经过加工烧结，但加工后的烧结矿的品位最高只能达到58％，还要平衡炼铁高炉炉内的其他炉料的碱度冲销等因素；

又如，宁夏的高炉喷吹煤粉灰分构成如下：

SiO₂：18％-35％

Al₂O₃：12.21％-24.32％

CaO：11.28％-34％

MgO：3.46％-13％

Fe₂O₃：11.2％-23.58％

阳泉的高炉喷吹煤粉灰分构成如下：

SiO₂：50.47％

Al₂O₃：36.16％

CaO：2％

MgO：0.69％

Fe₂O₃：6.04％

经过对其两个地区的煤的碱度计算分析如下：

宁夏的碱度数值：

(34％CaO+13％MgO)÷(35％SiO₂+24.32％Al₂O₃)＝0.79

阳泉的碱度数值：

(2％CaO+0.69％MgO)÷(50.47％SiO₂+36.16％Al₂O₃)＝0.03

二者相比如下：

宁夏的高炉喷吹煤粉的碱度比阳泉的高炉喷吹煤粉的碱度数值相对要高出0.79÷0.03＝26倍

解释炼铁高炉渣碱度概念：

(CaO+MgO)之和与(SiO₂+Al₂O₃)之比称之为碱度，其倍数，称之为碱度数值；

当(CaO+MgO)/(SiO₂+Al₂O₃)之比的倍数大于1称之为碱性；

当(CaO+MgO)/(SiO₂+Al₂O₃)之比的倍数小于1称之为酸性；

烧结矿的碱度(CaO/SiO₂)与烧结矿的冶金性能：

日本研究的结果，碱度对烧结矿冶金性能有如下影响：

①随着CaO/SiO₂的增高，烧结矿低温(550度)还原粉化率降低，收缩率降低，软化特性改善；

②CaO/SiO₂增高时，烧结矿的还原度由FeO含量来决定，FeO含量低者还原度高；

③熔融滴落开始温度随CaO/SiO₂增高而提高，随Al₂O₃含量增多而稍下降，但增加MgO含量可使熔融滴落开始温度升高；

英国研究的结果，碱度对烧结矿冶金性能有如下影响：

①烧结矿CaO/SiO₂为1.8时有较高的熔滴温度和还原率；

②烧结矿还原性对熔低温度有决定的影响，还原性越好则熔滴温度也越高；

德国研究发现，酸性烧结矿在高温中有提早软化的倾向，使透气性降低；而高碱度烧结矿在高温荷重下还原时，其透气性几乎没有变化。

根据上述的国外的研究结果和国内的原料的分析所得出的结论如下：

碱度越高，其烧结矿的还原率也相对随着提高；因此，当高炉喷吹宁夏煤的时候，由于宁夏的煤相对碱度高，高于阳泉煤的26倍，所以，在喷入高炉中时，相对提高了炼铁高炉炉内的碱度，进而高炉内的矿料还原率也随之而提高；

所以，其高炉的产量增加，高炉系数提高；

反之，当高炉喷吹阳泉煤时，由于阳泉的煤相对碱度低，低于宁夏煤的26倍；在喷入高炉中时，相对也降低了高炉内的碱度，进而高炉内的炉料还原率也随之而降低；其高炉的产量减少，高炉系数也降低。

这一现象正是多年以来许多冶金专家正在研究，并且也一直未能解决的高炉喷吹的数量不能加大数量的问题。

分析推断结论：

根据上述现象事例和国外的研究成果的分析，提出了在钢铁原料之外的材料来寻找解决碱度的问题，而又不改变其使用性能的碱性高炉喷吹还原粉的技术解决方案。

经过多年的研究，提出完全可以改变煤炭灰分的碱度这一途径来完成影响钢铁还原的这因素，而又不改变其使用性能，由此发明了碱性高炉喷吹煤基直接还原剂。

采用的技术方案是：

碱性高炉喷吹煤基直接还原剂，由发热量≥6600千卡/kg，固定碳60—90％，挥发分2—35％，全硫≤0.5％，余量为灰分的煤为主体，灰分主要由CaO、MgO、SiO₂、Al₂O₃和其他矿物组成，依据碱性高炉内平衡碱度的需要，加入含CaO、MgO碱性矿物的至少一种，使灰分碱度达到CaO+MgO/SiO₂+Al₂O₃>1，灰分总量≤12％，分别破碎加工成粒度在5mm—160目，混合均匀制成。

上述的含Cao、MgO碱性矿物为菱镁矿、白云石、石灰石、方解石，其Mgo、CaO的成分其中任何一种或两种混合物的含量不小于40％；或上述矿物经过煅烧后的轻(重)烧镁粉、白灰、白云灰，其MgO、CaO的成分其中任何一种或两种混合物的含量不小于70％。

本发明的碱性高炉喷吹煤基直接还原剂能提高喷吹煤粉的碱性，又不能降低热值最低标准，使高炉喷吹材料的碱度能够替代高炉内部部分碱性材料和热值材料，原料来源广泛，廉价易得成本低，使用过程无需改变现有喷吹工艺和设备，而且可提高生产率。

使用时工艺控制条件为：

碱度调节平衡公式：

在使用碱性高炉喷吹煤基直接还原剂状态下的炼铁高炉内外炉渣的碱度调节平衡公式如下：

(α1+β1+γ1+δ1)/(α2+β2+γ2+δ2)>1

式中：

α1：碱性高炉喷吹煤基直接还原剂中的(CaO+MgO)含量；

β1：铁矿原料中的(CaO+MgO)含量；

γ1：溶剂中的(CaO+MgO)含量；

δ1：焦炭中的(CaO+MgO)含量；

α2：碱性高炉喷吹煤基直接还原剂中的(SiO₂+Al₂O₃)含量；

β2：铁矿原料中的(SiO2+Al₂O₃)含量；

γ2：溶剂中的(SiO2+Al₂O₃)含量；

δ2：焦炭中的(SiO2+Al₂O₃)含量；

在炼铁高炉工艺生产中用碱性高炉喷吹煤基直接还原剂的技术进行煤基直接还原铁的。

(α1+β1+γ1+δ1)/(α2+β2+γ2+δ2)>1

依据这个平衡公式我们给定如下的特定条件推断出：

当，

时，即焦炭SiO₂+Al₂O₃为0时，则平衡公式变换如下：

(α1+β1+γ1)/(α2+β2+γ2)>1

式中：

α1：碱性高炉喷吹直接还原剂(粉)中的(CaO+MgO)含量；

β1：铁矿原料中的(CaO+MgO)含量；

α2：碱性高炉喷吹直接还原剂(粉)中的(SiO2+Al₂O₃)含量；

β2：铁矿原料中的(SiO₂+Al₂O₃)含量；

依据公式：(α1+β1+γ1)/(α2+β2+γ2)>1

令：(β1+γ1)/(β2+γ2)＝1，即：烧结矿的碱度达到1；

那么，以鞍山地区的TFe65％品味的铁精矿为例，经过烧结后其品味能到TFe60min的水平；

则：(α1+β1+γ1)/(α2+β2+γ2)>1变为如下：

α1/α2>1

可以看出碱性高炉喷吹煤基直接还原剂在替代焦炭之后，达到炼铁高炉中的炉料碱度平衡后，碱性高炉喷吹煤基直接还原剂不但不需要炼铁高炉内的炉料来分担炼铁高炉的内碱度平衡，而且还可以分担一部分炼铁高炉内的炉料碱度平衡问题；

炼铁高炉炉内状况：

1、块状带：固体料软溶前所分布的区域；

2、软溶带：炉料从开始软化到熔化所占的区域；矿料熔结成为软熔层，两软熔层之间夹有焦炭，多个软熔层和焦炭层构成完整的软熔带；

3、滴落带：渣、铁全部熔化滴落穿过焦炭层到炉缸的区域；由于煤气大量通过，渣、铁滴落时继续进行还原、渗碳等反应，是高温物理化学反应的主要区域。

4、风口带：风口前燃料燃烧的区域；是高炉热能和气体还原剂的发源地，也是初始煤气分布的起点；

5、渣铁贮存区：是形成最终渣、铁的区域。

碱性高炉喷吹煤基直接还原剂在炼铁高炉的使用方法

碱性高炉喷吹煤基直接还原剂的技术在炼铁高炉喷吹中可采用与以前的高炉喷吹方法相同的方法进行喷吹：

1、首先进行碱性高炉喷吹煤基直接还原剂的烘干；

2、可以用≤5mm的粒度直接进行颗粒碱性高炉喷吹煤基直接还原剂的高炉喷吹；

3、也可用磨机将碱性高炉喷吹煤基直接还原剂磨至≤160目的粒度再进行高炉喷吹；

4、碱性高炉喷吹煤基直接还原剂在滴落带区域形成雾化带层，碱性高炉喷吹煤基直接还原剂的升温、还原、造渣等等的功能都是通过这个雾化带层来完成的；

5、要碱性高炉喷吹煤基直接还原剂喷吹在炼铁高炉的滴落带区域，渣、铁全部熔化滴落穿过雾化带层到炉缸的区域，渣、铁滴落时进行还原、渗碳等反应，是高温物理化学反应的主要区域。

对高炉内铁氧化物的还原种类

炼铁高炉内铁氧化物的还原种类有以下几种，是碱性高炉喷吹煤基直接还原剂的应用的技术分析依据；这是因为碱性高炉喷吹煤基直接还原剂的还原铁也是通过以下几种方法进行完成的：

1、用气体CO还原，生成产物CO₂，称间接还原；

2、用固体碳还原，生成产物CO，称直接还原；

3、一部分氢在低温代替CO还原，另部分氢在高温代替碳进行直接还原。

当碱性高炉喷吹煤基直接还原剂喷入炼铁高炉后，在高温的作用下生成了CO、H₂、固定碳等还原剂，分布在炼铁高炉内，在热风的作用下随气流至下而上分布在风口带、熔滴带、软溶带等，铁氧化物进行如下的还原热力反应：

①用CO还原铁氧化物

3Fe₂O₃+CO＝2Fe₃O₄+CO₂+37112kJ

Fe₂O₃+CO＝3FeO+CO₂-20878kJ

FeO+CO＝Fe+CO₂+13598kJ

②用固体碳还原铁氧化物

3Fe₂O₃+C＝2Fe₃O₄+CO—110039kJ

Fe₂O₃+C＝3FeO+CO—18654kJ

FeO+C＝Fe+CO—152088kJ

③用H2还原铁氧化物

3Fe₂O₃+H2＝2Fe₃O₄+H₂O+21798kJ

Fe₂O₃+H2＝3FeO+H₂O-63555kJ

FeO+H2＝Fe+H₂O—27698kJ

铁氧化物还原动力学的技术分析：

当碱性高炉喷吹煤基直接还原剂喷入炼铁高炉后；

在高温的作用下生成了CO、H₂、固定碳等还原剂，分布在炼铁高炉内，在热风的作用下随气流至下而上分布在风口带、熔滴带、软溶带等，来完成如下的铁氧化物还原动力反应：

①铁氧化物反应是经过内、外扩散过程和界面化学反应等步骤完成的，即气流中CO(或H₂)通过矿石周围的边界层向矿石表面扩散；气体反应物CO(或H₂)及气体生成物CO₂(或H₂O)通过固相还原层的裂纹和孔扩散，以及铁、氧离子在固相还原层晶格点间和空位上的扩散和矿石内反应界面的晶格化学反应，包括CO(或H₂)的吸附和CO₂(或H₂O)的脱附以及晶格的重建等；

②有效解决了铁氧化物的还原速度的下列二个环节：

一是气体还原剂或反应的气体产物的扩散速度；二是反应界面上的化学反应速度；

当碱性高炉喷吹煤基直接还原剂喷入炼铁高炉后，在高温的作用下生成了CO、H₂、固定碳等还原剂，分布在炼铁高炉内，在热风的作用下随气流至下而上分布在风口带、熔滴带、软溶带等，有效解决了影响铁矿石还原速度的如下几个因素：

①CO和H₂的浓度；

②温度；

③煤气的速度；

④煤气的压力；

从高炉造渣过程对碱性高炉喷吹煤基直接还原剂的技术分析

当碱性高炉喷吹煤基直接还原剂喷入炼铁高炉后；

①在高温的作用下生成了CO、H₂、固定碳等还原剂，分布在炼铁高炉内，在热风的作用下随气流至下而上分布在风口带、熔滴带、软溶带等，经过以上反应之后，并在炉料发生软粘、熔融、滴落的过程中，渣和金属铁在软熔层里分离，同时炉料中的析出炉渣与碱性高炉喷吹还原粉及其炉料中的Ca、Mg、SiO₂、Al₂O₃等其它灰分进行有效地接触而各自聚合形成了炉渣；

②由于提高了CaO、MgO炼铁高炉内的浓度，从而促使如下的脱硫反应硫向右进行：

FeS+CaO+C＝CaS+Fe+CO

很好地控制炉渣的粘度，保持了炉缸的温度，减少了渣中的FeO的含量。

本发明取得的积极效果在于：

1、通过使用碱性高炉喷吹煤基直接还原剂能使炼铁高炉的炉内各个原料的配比调节与炼铁高炉的炉外的碱性高炉喷吹煤基直接还原剂来调节炼铁高炉的原料碱度平衡，即可以达到内外结合进行调节碱度；

2、使用碱性高炉喷吹煤基直接还原剂之后，可以大幅度提高炼铁高炉的铁矿原料的入炉品味；还可以有效的降低入炉的铁矿原料的碱度和降低入炉碱度材料石灰石原料的使用量；

3、在炼铁高炉的还原区域内碱性高炉喷吹煤基直接还原剂的技术之后，可以有效地提高生铁的还原速度、快速造渣能力、脱硫以及降低炼铁高炉的能源消耗量，提高炼铁高炉的利用系数，增加生铁产量；

4、炼铁高炉碱性高炉喷吹煤基直接还原剂的技术后，能替代大部分焦炭或能替代全部的焦炭；最终达到运用传统的炼铁高炉，在不改变设备工艺的条件下，煤基直接熔融还原铁。

碱性高炉喷吹煤基直接还原剂的生产方法，包括如下步骤：

1、选择精煤原料

选择的精煤符合以下技术指标：

精煤的灰分：8％以下

精煤的挥发分：2-35％

精煤的硫分：0.5％以下

精煤的全水：10％以下

固定碳：60—90％

发热量：收到基低位发热量6，600Kcal/kg。

然后测定灰分成份，即SiO₂、Al₂O₃、CaO、MgO在灰分中所占的百分比。

2、选择含CaO、MgO碱性矿物

选择的含CaO、MgO矿物其CaO、MgO的成分其中任何一种或两种混合物的含量不小于40％，或者所述矿物经过煅烧后CaO、MgO的成分其中任何一种或两种混合物的含量不小于70％，并分别测定CaO、MgO准确含量；

3、破碎

将选择的精煤和含CaO、MgO矿物分别破碎成5mm—160目；

4、计算含CaO、MgO矿物与煤的配比

依据碱度数值计算公式：

[原有精选精煤灰分中的(CaO+MgO)+加入的碱性矿物材料中的(CaO+MgO)]÷[精选精煤灰分中的(SiO₂+Al₂O₃)+加入的碱性矿物材料中的(SiO₂⁺Al₂O₃)]≥1

以及灰分计算公式：

[精选精煤灰分的重量+加入的(CaO+MgO)的重量]÷[精选精煤的总重量+加入的(CaO+MgO)的重量]×100％≤12％

控制预加入的CaO+MgO数量，与煤粉配比后保证灰分不高于12％或更低的灰分并且碱度数值确保在1以上；

5、混合

按照计算好的比例，将选好的精煤粉和CaO+MgO的碱性矿物粉在混料槽中进行均匀混料，得到碱性高炉喷吹煤基直接还原剂的制成品。

碱性高炉喷吹煤基直接还原剂使用：

第一个阶段原料准备：

按照原有的炼铁高炉的高炉喷吹材料条件准备碱性高炉喷吹材料；做到相同的发热量、灰分、挥发分、固定碳、全水分、全硫；

碱度条件：(Ca0+MgO)/(SiO₂+Al₂O₃)>1.5

这样在进行置换其炼铁高炉喷吹煤时确保平衡稳定；

第二阶段投入实际喷吹：

其原有的炼铁高炉操作的原料条件仍然不变，以确保原有的炼铁高炉的顺畅；按照原有的炼铁高炉的喷吹数量比率，以采取循序渐进的方法进行如下：

分别以5％、10％、15％、...100％；以每次增加5％为宜，顺行一个阶段以后，再增加5％的数量，这样慢慢地增加到100％的数量；而原炼铁高炉喷吹煤也分别以5％、10％、15％、...100％；以每次减少5％为宜，顺行一个阶段以后，再减少5％的数量，这样慢慢地减少到100％的数量；当达到原有的喷吹数量的100％之后，其原有的炼铁高炉的入炉原料操作条件不变，特别注意的是炼铁高炉的产量和系数是否增加、渣量是否增加？如果有所增加，炼铁高炉顺畅一个阶段，其炼铁高炉的操作条件仍然不改变，再继续进行如下的步骤：

可以每次增加1kg—5kgs的数量开始增加喷吹量；再顺畅之后，再增加数量，以每次增加1kg—5kgs为宜；还要特别观察所喷吹的材料是否完全反应或者有残留，然后再决定是否增加喷吹数量；如发现有残留，请检查所喷吹的富氧的数量是多少，可否增加一定数量的富氧的喷吹数量做个技术评估，再实施；每次的增加数量要与减少的石灰石和焦炭的相互协调之后再进行，以免发生脱节现象，造成失败；

第三阶段逐步降低入炉的石灰石和焦炭的数量

炼铁高炉达到完全舒畅，渣量增加、系数也增加，炉温、风温正常；

首先减少石灰石的使用量；在增加炼铁高炉增加喷吹量的同时；此时可以逐步减少石灰石的入炉的数量，还是以每次减少1kg—5kgs为宜；顺畅后再减少焦炭，以每次减少1kg—5kgs为宜；

石灰石的减少数量可以加大，如果碱度平衡条件允许，甚至可以减少到0；待其炼铁高炉顺畅稳定之后，再行减少焦碳的步骤；但焦炭是不能随意加大数量减少的，是有一定的极限的，在减少的时候尤为注意和慎重；每次减少的时候，要做一次评估后再执行；在绝对不能影响炼铁高炉的透气性前提下进行焦炭的减少数量；

总之，它的操作原则是以碱度平衡公式的平衡条件为基准的，各个原料的降低必须交叉进行，相互协调进行；

具体实施方式

实施例一

碱性高炉喷吹煤基直接还原剂，由精煤和含有MgO的轻烧镁混合制成。精煤测定结果为：

固定碳：81.89％        发热量：7846 大卡/千克

挥发分：10.13％        全水分：1.91％ 灰分：6.07％

灰分中的SiO2：28.57％        灰分中的CaO：8.28％

灰分中的MgO：8.25％          灰分中的Al₂O₃：7.32％

其余的47.63％为其他成分

轻烧镁的测定结果：

MgO：94.63％         CaO：1.22％

SiO₂：0.62％     Al₂O₃：0.10％

其余的3.43％为其他成分，

配比如下：

精煤重量1000g，其中灰分占6.07％、灰分重量60.7g，其灰分中的SiO₂占28.57％，SiO₂重量17.342g；MgO占8.25％，MgO重量5.008g；CaO占8.28％，CaO重量5.026g；Al₂O₃占7.32％，Al₂O₃重量4.443g。加入轻烧镁60g，其中SiO₂占0.62％，SiO₂重量0.372g；MgO占94.63％，MgO重量56.778g；CaO占1.22％，CaO重量0.732g；Al₂O₃占0.1％，Al₂O₃重量0.06g。

成品总重量1060g，成品灰分总重量为60.7+60＝120.7g；成品灰分中MgO+CaO总重量为67.544g，SiO₂+Al₂O₃总重量为22.257g。

结果：碱性高炉民喷吹煤基还原剂碱度为：CaO+MgO/SiO₂+Al₂O₃＝3.04，灰分为：灰分总重量/成品总重量×100％＝11.387％。

实施例二

实施例二与实施例一基本相同，不同之处在于在精煤中加入含CaO的生石灰，生石灰测定结果：

MgO：5.24％         CaO：87.42％

SiO₂：6.99％        Al₂O₃：0.10％

其余的0.25％为其    他成分。

生石灰加入量60g，其中SiO₂占6.99％，SiO₂重量4.194g；MgO占5.24％，MgO重量3.144g；CaO占87.42％，CaO重量52.425g；Al₂O₃占0.1％，Al₂O₃重量0.06g，精煤与实施例一相同。

结果：碱性高炉喷吹煤基直接还原剂碱度2.52、灰分11.387％。

实施例三

实施例三与实施例一基本相同，不同之处在于在精煤中加入含MgO和CaO的白云灰，白云灰的测定结果：

MgO：34.05％       CaO：52.01％

SiO₂：2.33％       Al₂O₃：0.10％

其余的11.51％为其他成分。

白云灰加入量60g，其中SiO₂占2.33％，SiO₂重量1.398g；MgO点34.05％，MgO重量20.43g；CaO占52.01％，CaO重量31.206g；Al₂O₃占0.1％，Al₂O₃重量0.06g，精煤与实施例一相同。

结果：碱性高炉喷吹煤基直接还原剂碱度2.653，灰分11.387％。